Izgube v AC žicah

Ko skozi vodnik teče izmenični tok, nastane okoli njega in znotraj njega izmenični magnetni tok, ki inducira npr. d. s, ki določa induktivni upor žice.

Če odsek dela, ki nosi tok, razdelimo na več elementarnih prevodnikov, bodo tisti od njih, ki se nahajajo v središču odseka in blizu njega, imeli največji induktivni upor, saj jih pokriva celoten magnetni tok - zunanje in notranje. Elementarni vodniki, ki se nahajajo na površini, so pokriti samo z zunanjim magnetnim tokom in imajo zato najmanjši induktivni upor.

Zato elementarni induktivni upor vodnikov narašča od površine proti središču prevodnika.

Zaradi delovanja izmeničnega magnetnega pretoka, površinskega učinka ali kožnega učinka pride do premika fluksa in toka z osi prevodnika na njegovo površino, v zunanjem slonu; tokovi posameznih plasti se razlikujejo po velikosti in fazi.

Na razdalji Z0 od površine se amplituda električnega in magnetnega polja ter gostota toka zmanjšata za e = 2,718-krat in dosežeta 36 % začetne vrednosti na površini. Ta razdalja se imenuje globina prodora tokovnega polja in je enaka

kjer je ω kotna frekvenca izmeničnega toka; γ - specifična prevodnost, 1 / ohm • cm, za baker γ = 57 • 104 1 / ohm • cm; µ = µ0 • µr µ0 = 4 • π • 10-9 gn / cm — magnetna konstanta; µr je relativna magnetna prepustnost, enaka 1 za baker in aluminij.

V praksi se šteje, da glavnina toka prehaja v površinsko plast prevodnika z debelino, ki je enaka globini preboja Z0, preostali del, notranji, del preseka pa praktično ne prenaša toka in je ne uporablja se za prenos energije.

Na sl. 1 prikazuje porazdelitev gostote toka v krožnem vodniku pri različnih razmerjih med polmerom prevodnika in globino preboja.

Polje popolnoma izgine na razdalji od površine 4-6 Z0.

Sledijo vrednosti globine preboja Z0 v mm za nekatere vodnike pri frekvenci 50 Hz:

Baker — 9,44, aluminij — 12,3, jeklo (µr = 200) — 1,8

Neenakomerna porazdelitev toka vzdolž prečnega prereza prevodnika vodi do znatnega zmanjšanja prereza njegovega dejanskega dela, ki nosi tok, in s tem do povečanja njegovega aktivnega upora.

Ko se aktivni upor prevodnika Ra poveča, se toplotne izgube v njem I2Ra povečajo, zato bodo pri enaki vrednosti toka izgube v prevodniku in temperatura njegovega ogrevanja z izmeničnim tokom vedno večje kot z neposrednim trenutno.

Merilo površinskega učinka je koeficient površinskega učinka kp, ki predstavlja razmerje med aktivnim uporom prevodnika Ra in njegovim ohmskim uporom R0 (pri enosmernem toku).

Aktivni upor prevodnika je

Pojav površinskega učinka je močnejši, čim večji je presek žice in njen magnetna prepustnost in višje frekvenca izmeničnega toka.

Pri masivnih nemagnetnih vodnikih je tudi pri napajalni frekvenci površinski učinek zelo izrazit. Na primer, upor okrogle bakrene žice s premerom 24 cm pri izmeničnem toku 50 Hz je približno 8-krat večji od upora pri enosmernem toku.

Koeficient kožnega učinka bo tem manjši, čim večji je ohmski upor prevodnika; na primer, kn za bakrene žice bo večji kot za aluminij enakega premera (odseka), ker je odpornost aluminija 70% višja od bakra. Ker se upor prevodnika s segrevanjem povečuje, se globina preboja povečuje z naraščajočo temperaturo, kn pa zmanjšuje.

Pri žicah iz magnetnih materialov (jeklo, litoželezo itd.) se površinski učinek kljub visoki odpornosti kaže z izjemno močjo zaradi njihove visoke magnetne prepustnosti.

Koeficient površinskega učinka za takšne žice, tudi z majhnimi preseki, je 8-9. Poleg tega je njegova vrednost odvisna od vrednosti toka, ki teče. Narava spremembe upora ustreza krivulji magnetne prepustnosti.

Do podobnega pojava prerazporeditve toka vzdolž prečnega prereza pride zaradi učinka bližine, ki ga povzroči močno magnetno polje sosednjih vodnikov. Vpliv učinka bližine je mogoče upoštevati s koeficientom bližine kb, oba pojava — koeficientom dodatnih izgub:

Pri visokonapetostnih inštalacijah z dovolj veliko razdaljo med fazami je koeficient dodatnih izgub določen predvsem s površinskim učinkom, saj je v tem primeru učinek bližine zelo šibek. Zato v nadaljevanju obravnavamo vpliv le površinskega učinka na tokovodnike.

riž. 1 kaže, da je treba za velike prereze uporabiti samo cevaste ali votle vodnike, saj v polnem vodniku njegov srednji del ni v celoti uporabljen za električne namene.

riž. 1. Porazdelitev gostote toka v okroglem vodniku pri različnih razmerjih α / Z0

Ti sklepi se uporabljajo pri načrtovanju tokovnih delov visokonapetostnih stikal, ločilnikov, pri načrtovanju vodil in vodil visokonapetostnih stikalnih naprav.

Določanje aktivnega upora Ra je eden od pomembnih problemov, povezanih s praktičnim izračunom tokovnih delov in zbiralk z različnimi profili.

Aktivni upor prevodnika se določi empirično na podlagi izmerjenih skupnih izgub moči v njem, kot razmerje med skupnimi izgubami in kvadratom toka:

Težko je analitično določiti aktivni upor prevodnika, zato se za praktične izračune uporabljajo izračunane krivulje, izdelane analitično in preverjene eksperimentalno.Običajno vam omogočajo, da najdete faktor kožnega učinka kot funkcijo nekega konstrukcijskega parametra, izračunanega iz značilnosti prevodnika.

Na sl. 2 prikazuje krivulje za določanje površinskega učinka nemagnetnih vodnikov. Koeficient površinskega učinka iz teh krivulj je opredeljen kot kn = f (k1), funkcija izračunanega parametra k1, ki je

kjer je α polmer žice, glej

riž. 2. Aktivna in induktivna upornost prevodnika pri izmeničnem toku

Pri industrijski frekvenci 50 Hz je mogoče zanemariti površinski učinek za bakrene vodnike d <22 mm in za aluminijaste vodnike d <30 mm, saj je zanje kp <1,04

Izguba električne energije se lahko izvede v delih brez toka, ki padejo v zunanje izmenično magnetno polje.

Običajno morajo biti v električnih strojih, aparatih in stikalnih napravah vodniki za izmenični tok nameščeni v neposredni bližini določenih delov konstrukcije iz magnetnih materialov (jeklo, lito železo itd.). Takšni deli vključujejo kovinske prirobnice električne opreme in nosilne konstrukcije vodil, razdelilne naprave, ojačitev armiranobetonskih delov, ki se nahajajo v bližini avtobusov, in drugo.

Pod vplivom izmeničnega magnetnega pretoka nastanejo številni tokovi v tistih delih, ki ne prenašajo toka. vrtinčni tokovi in pride do njihovega obrata magnetizacije. Tako prihaja do izgub energije v okoliških jeklenih konstrukcijah zaradi vrtinčnih tokov in iz histerezapopolnoma pretvori v toploto.

Izmenični magnetni tok v magnetnih materialih prodre do majhne globine Z0, merjeno, kot je znano, nekaj milimetrov.V zvezi s tem bodo izgube zaradi vrtinčenja koncentrirane tudi v tanki zunanji plasti Z0. V isti plasti se bodo pojavile tudi histerezne izgube.

Te in druge izgube je mogoče obračunati ločeno ali skupaj z različnimi, večinoma polempiričnimi formulami.